Cojinete de Apoyo o Chumacera

Cuando el eje comienza a girar en el sentido indicado, sube rodando por la superficie interior del cojinete hasta que sobreviene el deslizamiento. A partir de entonces, permanecerá en una posición más o menos fija mientras dure la rotación. El par momento M, necesario para mantener la rotación, y la carga axial L aplicados al eje provocan la aparición de una fuerza de reacción R en el punto de contacto A.

Cojinete de Empuje o Axial

Este tipo de rozamiento se da entre superficies circulares sometidas a presiones normales uniformes en gorrones, platos de embragues y frenos de disco. El par máximo que puede transmitir un embrague es igual a M, necesario para hacer que un disco resbale contra el otro.

Viscosidad

Es un parámetro que determina una cierta resistencia interna en las moléculas de lubricantes. Cuando dos superficies se deslizan una sobre otra estando engrasadas con aceite, también se desplazan entre sí produciéndose un rozamiento. Cuanto mayor es este rozamiento, tanto más tenaz es el líquido. Esta tenacidad es la viscosidad. La viscosidad dinámica es la medida de la viscosidad de un lubricante líquido en movimiento. Cuando mayor es la caída de velocidad, tanto mayor será la tensión tangencial ζ. Puede medirse con el viscosímetro de caída de bola, del cual desciende una bola por el interior de un tubo de vidrio lleno de aceite. El tiempo que tarda en el descenso es directamente proporcional a la viscosidad dinámica.

Parámetro vn/p del Cojinete

Existe una disminución marcada por el coeficiente de fricción cuando la operación cambia de película delgada o límite a película gruesa o hidrodinámica. Para un cojinete de muñón rotatorio, el efecto combinado de viscosidad (v), velocidad de giro (n) y presión de la carga (p) están relacionados con el coeficiente de fricción (μ). La curva de Stribeck relaciona el coeficiente de fricción con el parámetro adimensional vn/p.

Diseño de Cojinetes Radiales con Lubricación Límite

Viene a indicar la capacidad del cojinete de adaptarse a la energía de fricción que genera. Se establece un valor límite de p*u de forma que, por encima de este, el cojinete no es capaz de alcanzar un valor estable de la temperatura, por lo que termina por fallar. Se expresa kW/m².

Diseño de Cojinetes Radiales con Lubricación Hidrodinámica

Está basado en datos experimentales que relacionan los términos de rugosidad, espesor mínimo de película, holgura diametral, relación longitud-diámetro del cojinete, temperatura del lubricante y número de Sommerfeld.

Ecuación de Petroff

Parte de la hipótesis que el cojinete estaba centrado respecto del eje y que el gradiente de velocidades en la película de lubricante era lineal. El cojinete gira y supone que el cojinete tiene una holgura o espacio entre muñón y manguito que está lleno de aceite y sus fugas son despreciables. La velocidad periférica del eje u=2*π*r*n, siendo r el radio del muñón y n la velocidad angular en rev/s. h es la holgura radial y L la longitud de contacto entre muñón y manguito. ζ=v*u/h.

Otros Factores Importantes en el Diseño de Cojinetes

• Rugosidad superficial: Para cojinetes de buena calidad se recomienda rugosidad superficial comprendida entre 16 y 32 micropulgadas. Para obtener un buen ajuste en equipos de gran precisión, entre 8 y 16 micropulgadas.
• Espesor mínimo de película: Depende de la rugosidad superficial del muñón y del cojinete, y también del tamaño del muñón. h=0.00025*D. D diámetro del cojinete y h el espesor mínimo de película.
• Holgura diametral: Este valor entre cojinete y muñón depende del diámetro nominal del cojinete, la precisión requerida en la máquina, la velocidad de giro y la rugosidad superficial. Suele estar en el intervalo 0.001 a 0.002 veces el diámetro del cojinete.
• Temperatura y viscosidad del lubricante: Son parámetros relacionados. Los lubricantes del petróleo deben limitarse a 70ºC.
• Número de Sommerfeld: S=(μ*n*(R/Cr)²)/p donde μ=lb*s/pulg², n=rev/s, p=lb/pulg², R y Cr= pulg.

Procedimientos a Seguir en el Diseño de Cojinetes

1. Especificar el diámetro para el muñón (d) compatible con la carga a soportar y el radio.
2. Especificar la presión superficial media, en base a la relación lado-diámetro.
3. Especificar la holgura diametral mínima en base a los valores de diámetro del muñón y velocidad.
4. Calcular la holgura diametral Cr=Cd/2 y la relación R/Cr.
5. Calcular el espesor mínimo h=0.00025*d.
6. Determinar el valor del número de Sommerfeld para la relación de espesor de la película seleccionada y la relación b/d.
7. Calcular la velocidad de giro en rev/s.
8. Se despeja la viscosidad mínima requerida que produzca el espesor mínimo de película deseado.
9. Especificar una temperatura máxima aceptable para el lubricante.
10. Obtener la variable de coeficiente de fricción f(R/Cr).
11. Calcular el coeficiente de fricción.
12. Calcular el par torsional de fricción Tf=f*F*R.
13. Calcular la potencia disipada en el cojinete Pf=Tf*n/63000 o Pf=F*μ*u=F*μ*d*π*n.

Diseño de Cojinetes con Lubricación Hidrostática

Cuando la lubricación hidrodinámica genera tanto calor que la irradiación normal del cojinete es insuficiente para eliminarlo, es necesario un suministro adicional de aceite a través de una muesca perimetral situada en su centro que permita distribuir el aceite hacia los lados o agua para refrigerar. mref=ΔPr/c*ΔTref, donde mref es el caudal de líquido de refrigeración dm³/s, ΔPr es la cantidad de calor a eliminar por el líquido de refrigeración, c es la capacidad calorífica específica del medio refrigerante J/(k*dm³) y ΔTref es la caída de temperatura en el medio refrigerante.

Materiales para Cojinetes

Depende del uso que se quiera para el cojinete, pero debe cumplir:

• Ductilidad: El material deslizante debe ser elástico e incluso plástico para ajustarse a las deformaciones bajo carga.
• Resistencia: Resistencia al desgaste.
• Poca tendencia a la formación de grietas.
• Inestabilidad al gripado: No debe presentarse tendencia a soldarse con el material del gorrón.
• Conductividad térmica.
• Susceptible de ser mojado por el lubricante.
• Resistencia a la corrosión.
• Costo.

Los principales materiales son:

• Bronce colado
• Babbitt
• Aluminio
• Zinc
• Metales sinterizados
• Plásticos

Diseño de Cojinetes y Dispositivos de Lubricación

Pueden construirse empotrados, de soporte y de brida. Los primeros van acoplados directamente a elementos de las máquinas, son partes fundidas o soldadas. Los de soporte o brida se montan como grupos independientes de las máquinas. Son apropiados para montar en cualquier posición.